SWR-Электрика: проектирование электрических жгутов в SolidWorks

Михаил Малов

Исторически сложилось так, что все или почти все предлагаемые в настоящее время на рынке трехмерные САПР изначально создавались именно как средства построения пространственной геометрии для взаимной увязки формы и размеров отдельных составных частей проекта. Однако со временем все эти системы неизбежно приобретали отдельные функции или специальные модули, позволяющие автоматизированно решать целевые задачи проектирования изделий или их составных частей определенного типа. Такие средства берут на себя изрядную часть работы по управлению геометрией и расчету выходных показателей проекта, что позволяет проектировщику максимально сосредоточиться на обдумывании функционально важных параметров проектируемого изделия.

Одним из этапов производства изделий, встречающихся в самых разных отраслях промышленности, является электрический монтаж, выполняемый проводами и кабелями, связанными в жгуты. Кабельные изделия применяются и в продукции оборонной промышленности, и в любых транспортных средствах, и в медицинском оборудовании, и в бытовой технике — словом, едва ли найдется предприятие, не сталкивающееся с задачей проектирования и изготовления электрических жгутов. Разумеется, инженеры и руководители таких предприятий кровно заинтересованы, во-первых, в автоматизации собственно создания проекта жгутов, а во-вторых, в получении как можно более точной и полной информации обо всех характеристиках жгутов. Реализация первой задачи должна сократить сроки получения конструкторской и технологической документации, второй — снизить издержки производства за счет более точного расчета требующихся в производстве материалов.

Процесс создания трассы и результат

Уникальным средством решения этих задач при проектировании изделий в SolidWorks является модуль SWR-Электрика. Он создан специально для решения задач проектирования электрожгутов в среде SolidWorks и не является адаптацией какого-то стороннего продукта, что гарантирует простоту его использования, высокий функционал и быстрое освоение. Модуль SWR-Электрика объединяет электрическую и механическую части проекта в единой среде проектирования SolidWorks, обеспечивает моделирование проводных соединений между контактами с применением пополняемой библиотеки соединителей и различных материалов — проводов, многожильных кабелей, изоляционных трубок, экранирующих плетенок и т.д. На основе выполненного проекта монтажа модуль автоматически создает полную информацию об использованных материалах и выполненных соединениях, представляя ее в виде таблиц и отчетов, монтажных шаблонов и сборочных чертежей. Вся информация о логике монтажа и примененных материалах отражается в специальной панели в левой части экрана — Дереве монтажа, функционально полностью аналогичном стандартному Дереву конструирования SolidWorks. Результат работы модуля — стандартные документы SolidWorks.

Создание ответвления жгута

В этой статье мы подробно расскажем о модуле SWR-Электрика на примере его новейшей версии 2.0, находящейся в настоящий момент на стадии бета-тестирования. Выпуск версии намечен на первую половину 2006 года.

Первое, что приходит на ум при размышлении об объемном проектировании жгутов, — это необходимость создания трехмерной геометрии собственно жгута. Для его успешного моделирования нужно, во-первых, решить задачу расчета диаметра жгута, во-вторых, как-то расположить жгут в пространстве модели и, в-третьих, выяснить, нет ли каких-нибудь неувязок, препятствующих собираемости конечного изделия. Как же решает эти задачи модуль SWR-Электрика?

Начнем с размещения жгутов в пространстве конструкции. Жгут, связанный из множества проводов и многожильных кабелей, отображается в виде протяженного объекта круглого сечения, так что для определения топологии жгута достаточно определить его ось. Обычно это просто трехмерный сплайн, и, казалось бы, SolidWorks уже обладает возможностями, достаточными для его создания. Однако при использовании функций SolidWorks по работе с трехмерными эскизами возникает необходимость в выполнении многочисленных однообразных вспомогательных действий. Дело в том, что SolidWorks либо «подвешивает» трехмерный сплайн в пространстве, либо автоматически привязывает его контрольные точки к элементам окружающей геометрии. В результате сразу после создания сплайна нужно отредактировать его, переместив вручную практически каждую его точку, а заодно добавив множество точек в местах резких перегибов сплайна. Реальный же жгут отстоит от этой геометрии на какое-то расстояние. А модуль SWR-Электрика предлагает способ создания оси будущего жгута, сразу удаленной от граней окружающих деталей на выбираемое пользователем расстояние.

Пустые трассы, заготовленные для нескольких жгутов (за основу взята модель изделия «Прибор К-170», ФГУП НПО «Агат», г.Москва)

Пользователь просто указывает точки на гранях деталей, мимо которых должен пройти жгут, а SWR-Электрика создает контрольные точки оси жгута с выбранным пользователем смещением от этих граней. Для каждой создаваемой точки можно задать свое смещение, что повышает гибкость процесса и снижает объемы последующего редактирования созданного сплайна или вовсе исключает его необходимость. Дополнительно пользователю предоставляется возможность автоматически привязывать точки сплайна к вершинам или к точкам эскизов любых моделей, а также автоматически центрировать их по отношению к выбираемым круглым кромкам, что упрощает прокладку жгутов через разного рода хомуты, фиксаторы, зажимы и вырезы в перегородках.

Диаметры всех сегментов трех жгутов рассчитаны по ГОСТ 23586-79

Реальный жгут обычно состоит не из единственного пучка проводов, а из множества ответвлений. Модуль SWR-Электрика делает процедуру создания такой геометрии максимально простой. Достаточно одну из создаваемых точек поместить на готовую трассу, и модуль автоматически разобьет последнюю на две части. Причем в роли точки разрыва может выступать как любая из конечных точек новой трассы, так и промежуточная — в этом случае будут разбиты обе трассы.

SWR-Электрика не только позволяет отредактировать любую из созданных трасс, но и дает возможность перемещать узлы, в которых сходятся отдельные ветви жгутов. При этом в эскизах отдельных сегментов трасс не создается взаимных родительско-дочерних взаимосвязей, что исключает принципиальную возможность появления потерянных ссылок при удалении отдельных трасс. Все это SWR-Электрика делает автоматически, экономя время конструктора и избавляя его от излишних «сервисных» размышлений о геометрии и работе механизма ссылок SolidWorks.

Итак, трассы созданы. Но их диаметры пока заданы самим пользователем и не отражают реалий монтажа. Правила расчета диаметра жгута определены в ГОСТ 23586-79 и опираются на реальные характеристики связанных в жгут проводов и кабелей, а значит, в проекте надо отразить электрические соединения. Поэтому SWR-Электрика, во-первых, автоматически уложит все провода и кабели в кратчайшие трассы, а во-вторых, пересчитает диаметры всех трасс согласно стандарту.

Импортируемая таблица соединений

Откуда же берутся в проекте данные монтажа? В первом случае всё просто: импортируем таблицу соединений, созданную используемой схемотехнической САПР. Все подобные системы имеют механизмы создания текстовых отчетов, и в любой из них, будь то P-CAD, OrCAD, Protel, CADdy или какая-то еще, можно настроить шаблон отчета, зачитываемого модулем SWR-Электрика. А этому модулю достаточно такого минимума данных, как марка и сечение жилы провода (наружный диаметр, разумеется, будет взят из библиотеки проводов) и указание на соединяемые проводом контакты в виде двух пар «схемное обозначение — номер контакта». Сложнее обстоит дело с использованием для проектирования схемы какого-либо «электронного кульмана». Из этих систем невозможно извлечь что-либо, кроме красивой (хотя и далеко не всегда верной или хотя бы пропорциональной) картинки, так что таблицу связей придется создавать вручную. Но ее формат настолько прост, что, используя Excel, можно быстро ввести в таблицу все данные и сохранить результат как текстовый ASCII-файл.

Диаметры жгутов и длины проводов рассчитаны автоматически

Итак, диаметры всех сегментов жгутов определены. Результат расчета для любого жгута представлен в окне его свойств. Дополнительно здесь же можно увидеть наполнение жгута: какие провода его образуют, каких типов, откуда и куда они идут, а также узнать длину выбранного сегмента жгута. Разумеется, сразу возникнет вопрос и о длине проводов, ответ на который также дает окно свойств проводов. Причем при расчете длин проводов можно учесть припуски разного рода. Во-первых, это припуск на длину провода, который будет автоматически приплюсован к «геометрической» длине провода в модели SolidWorks. Так, можно учесть припуски, добавляемые на перепайку провода при ремонте, на создание петель сервисного обслуживания, на провисание монтажа или неплотность вязки жгутов. Значение припуска по умолчанию модуль помнит и копирует в число свойств каждого провода автоматически, но никаких ограничений на ручную корректировку проекта нет. Во-вторых, аналогичным образом для каждого контакта можно указать припуск, добавляемый к проводу, подходящему к данному контакту. Например, можно учесть конструктивные особенности контакта и правила выполнения пайки на нем. Кроме того, можно упростить процедуру определения контактов в модели соединителя, вынеся их все на удобную наружную грань и задав дополнительную длину в виде припуска контакта.

А откуда берутся сами контакты? Их достаточно определить один раз в модели соединителя. Причем для ускорения этой работы есть специальная команда, позволяющая автоматически создать сразу группу контактов, расположенных в модели соединителя по определенной схеме — в несколько рядов, шестиугольником или по нескольким концентричным окружностям. Контакты будут автоматически перенумерованы (впрочем, любое имя, в том числе и имя контакта, можно переопределить вручную) и получат значение по умолчанию для припуска на длину провода.

Создание круговой группы контактов: в ряду контактов сделан припуск согласно конструкции соединителя; каждому контакту можно задать свой припуск на длину провода

Пространственная конфигурация жгутов определена, однако трехмерная модель не может служить единственным руководством производству. Необходимо получить множество разного рода документации — как текстовой, так и графической. И пользователь модуля SWR-Электрика не нуждается в скрупулезном подсчете суммарных характеристик монтажа и копировании порой громадных массивов данных из SolidWorks в другие системы. Модуль SWR-Электрика сам автоматически создает различные отчеты, отражающие самые разные характеристики выполненного монтажа.

Начнем с текстовых отчетов. SWR-Электрика генерирует такие отчеты, как таблицы соединений и распайки, суммарные перечни использованных материалов — проводов, кабелей, трубок, плетенок — с группировкой по типам, а также перечни соединителей. Эти данные можно получить как в виде текстовых ASCII-файлов определенного формата, так и в виде таблиц Excel. Первый вариант будет необходим предприятиям, использующим программное обеспечение собственной разработки, базирующееся на пусть устаревшей, но устойчиво работающей аппаратной части. Это могут быть и системы создания конструкторских спецификаций или ведомостей покупных изделий, и АСУ предприятия, и системы материально-технического планирования, и системы складского учета. Второй вариант дает возможность получить отчеты на привычных для любого предприятия бланках, используя простейшие макросы Excel.

Таблица соединений в Excel

Кроме текстовой документации, в производстве используется и графическая документация. Это в первую очередь сборочный чертеж жгута, а также чертеж электромонтажный. Данные документы также могут быть созданы средствами SolidWorks и SWR-Электрика. Для создания электромонтажного чертежа вполне достаточно базовых возможностей SolidWorks. Все чертежные виды механической составляющей проекта SolidWorks создает автоматически, а добавить на эти виды несколько линий, схематично отражающих прохождение в конструкции жгутов, можно стандартными средствами эскизов SolidWorks. Более того, поскольку модели жгутов, созданные модулем SWR-Электрика, — это по сути стандартные детали SolidWorks, пользователь может отобразить на стандартных разрезах или местных видах чертежа реальную, а не условную геометрию жгута и предоставить производству точную информацию об особенностях монтажа изделия. Разумеется, можно было бы выдумать специальные функции модуля SWR-Электрика, дублирующие эти возможности SolidWorks, но эта работа лишь удорожила бы модуль, не дав ни единого преимущества по сравнению с SolidWorks. Поэтому создатели модуля решили сосредоточиться на решении именно тех задач, которые SolidWorks решает недостаточно автоматизированно. Это привело к появлению функций автоматического создания плоского представления жгута.

SWR-Электрика самостоятельно раскладывает на плоскости все сегменты спроектированного жгута, добавляет изображения соединителей, смонтированных на концах жгута, расставляет размеры — длины каждого ответвления, создает таблицы распайки для каждого соединителя. Формат таблиц выбирается пользователем и запоминается системой на будущее. Дополнительно модуль может автоматически вставлять в длинные сегменты разрывы, исключающие отрисовку в конструкторском документе неинформативных прямых и сокращающие трату бумаги при печати чертежей. Разрывы можно добавить и в интерактивном режиме, а заодно изогнуть каждый сегмент жгута в любой его точке на нужный угол и с нужным радиусом. Последняя возможность особенно полезна при изготовлении жестких жгутов большого диаметра, которые, вследствие конструктивных ограничений, налагаемых геометрией изделия в целом, не могут быть изогнуты по месту при установке жгутов в изделие. В результате формируется стандартный чертеж SolidWorks, который можно окончательно оформить, используя библиотеку проектирования SolidWorks, хранящую, к примеру, различные блоки с изображением типовых заделок проводов и жгутов или заготовки технических требований.

Суммарный расход проводов: дополнительно подсчитано, на сколько частей будет нарезан провод каждой марки

При описании работы модуля SWR-Электрика мы оперировали проводами и многожильными кабелями. В чем же суть такого деления? Все просто. Любой провод может быть в принципе увязан в любой жгут, то есть уложен в любую трассу — в терминологии модуля SWR-Электрика. С покупными многожильными кабелями ситуация несколько иная: номинально при их использовании создаются связи, выполненные отдельными жилами кабеля, но реально при формировании жгута, во-первых, жилы одного кабеля не могут быть «разбросаны» по нескольким разным жгутам, а во-вторых, для расчета диаметра жгута должен быть использован диаметр кабеля, определенный стандартом, а не рассчитанный по каким-то эмпирическим формулам. Модуль SWR-Электрика автоматически проделывает всю эту работу. Параметры стандартных многожильных кабелей хранятся в библиотеке материалов наравне с параметрами одиночных проводов, а указав для группы проводов, что они являются жилами одного кабеля, пользователь обеспечит их единство при работе как автоматической, так и ручной укладки проводов в трассы и использование для расчета диаметров жгутов именно параметров кабеля в целом. Кроме стандартных кабелей, можно формировать и нестандартные, моделируя таким образом применение витых пар. Разумеется, генератор отчетов SWR-Электрика выделит кабели во всех отчетах.

Чертеж жгута

До сих пор, рассматривая работу модуля SWR-Электрика, мы оперировали лишь проводами и кабелями. Это, конечно, основные материалы для выполнения электромонтажа, но не единственные. При изготовлении жгутов применяются, к примеру, оболочки разного рода, причем использоваться они могут по-разному. Во-первых, оболочка может быть надета на целый отдельный провод, многожильный кабель или сегмент жгута. Это характерно прежде всего для экранирующих плетенок, однако аналогичным образом могут применяться и изолирующие трубки. Более того, возможна комбинация того и другого, надетая «матрешкой» на один объект монтажа, — например плетенка, а поверх нее трубка. Во-вторых, короткие куски трубок часто используются для маркировки концов проводов и изоляции зоны пайки, причем обычно для обеих целей применяется одна и та же трубка. Такие же кембрики используются и для маркировки целых жгутов. Модуль SWR-Электрика успешно моделирует применение оболочек любых типов.

Вариант того же чертежа со вставленными в некоторые сегменты жгута разрывами

Если оболочка должна быть надета на объект на всю его длину, то это можно сделать элементарно. Просто укажите, оболочку какого типа (трубку или плетенку) и какой марки нужно использовать, и SWR-Электрика автоматически выполнит целый ряд необходимых действий. Во-первых, проверит, поместятся ли выбранные объекты монтажа в данную трубку, во-вторых, пересчитает диаметры жгутов с учетом характеристик трубки. Факт применения оболочек будет отражен в Дереве монтажа. Если речь идет о кембриках, применяемых для маркировки проводов, то работы еще меньше: как правило, делать вручную вообще ничего не надо. Согласно системным настройкам, каждому проводу будет автоматически назначен факт использования кембрика, для которого будет применена трубка заданных марки и длины. Диаметр трубки модуль подберет автоматически в соответствии с наружным диаметром провода. Разумеется, все сделанное автоматически пользователь может при необходимости скорректировать — изменить марку или типоразмер трубки, вообще удалить ее. При использовании оболочек всех типов модуль автоматически учитывает «эффект матрешки» — и проверка пригодности трубок, и подбор диаметра кембриков ведутся с учетом размеров ранее надетых на объекты монтажа оболочек. По всем оболочкам модуль создает текстовые отчеты — индивидуальные и суммарные.

Возникает вопрос: а есть ли какие-то ограничения на сложность проектируемых модулем жгутов? Нет! Число объектов монтажа, топологическая или геометрическая сложность жгутов не имеют значения для модуля SWR-Электрика.

Модель разветвленного жгута панели управления игровым автоматом (проект предоставлен ЗАО «Уникум», г.Санкт-Петербург) и отчеты по проекту

А что еще полезного можно сделать с помощью модуля SWR-Электрика? Прежде всего при выполнении некоторых операций или в любой момент по запросу пользователя модуль автоматически производит проверку результатов проектирования. Как уже было сказано, при добавлении в проект оболочки проверяется ее принципиальная пригодность с учетом соответствия внутреннего диаметра оболочки наружному диаметру того объекта, на который оболочку надевают. Причем в библиотеке можно задать максимально допустимый процент заполнения внутреннего диаметра оболочки. Такую проверку можно провести и позже. Например, она может потребоваться при изменении монтажа — трубку уже надели на спроектированный жгут, а потом добавили в него еще несколько проводов или изменили марку проводов в сторону увеличения их диаметров. При импорте таблицы связей производится проверка наличия проводов выбранных марок в библиотеке, наличия соединителей с указанными схемными обозначениями и контактов на них в проекте, факта дублирования соединений или обозначений проводов и т.д. В любой момент можно проверить, не изогнут ли какой-либо провод, кабель или жгут радиусом, меньшим минимально допустимого. Причем задать такой порог можно как в миллиметрах, так и в виде коэффициента кратности наружному диаметру объекта монтажа.

Кроме отчетов по примененным материалам, модуль создает отчеты об использованных соединителях — как с индивидуальным их перечислением с указанием схемных обозначений, так и с группировкой по типам, что полезно для создания ведомостей покупных изделий.

Вся созданная трехмерная геометрия представлена стандартными объектами SolidWorks. Это означает, что для нее можно выполнить стандартный анализ интерференции геометрии жгута с элементами конструкции изделия и выяснить, достаточны ли размеры областей, через которые в конструкции должен пройти жгут. Все созданные жгуты имеют реальные массовые характеристики, рассчитанные на основе библиотечных данных. Любая 3D-модель, созданная с помощью модуля SWR-Электрика, хранится в «родном» формате SolidWorks и может быть легко открыта и даже отредактирована на компьютере, на котором нет модуля проектирования электрожгутов. При внесении изменений в конструкторскую модель геометрия и все характеристики проводов и жгутов также автоматически пересчитываются и обновляются в соответствии с новыми геометрическими условиями. Чертежи монтажных шаблонов также являются стандартными документами SolidWorks и автоматически меняются при изменении трехмерной модели. Все, что потребуется пользователю после такой корректировки на стороннем компьютере, — это открыть модель изделия при подключенном модуле SWR-Электрика и создать текстовые отчеты.

Чертеж жгута панели игрового автомата

Создаваемые модулем SWR-Электрика чертежи могут быть использованы и как технологические документы. По умолчанию жгут раскладывается на плоскость в масштабе 1:1, что позволяет напрямую применять данный документ как монтажный шаблон. Его можно распечатать, закрепить на монтажном столе, разложить поверх него провода и вязать жгуты.

Пользователи модуля SWR-Электрика имеют возможность спроектировать несколько отдельных жгутов на одном уровне иерархии проекта. При этом каждому объекту присваивается признак принадлежности конкретному жгуту, что учитывается при создании отчетов и обеспечивает возможность создания своего чертежа для каждого жгута.

SWR-Электрика 2.0 поддерживает механизм конфигураций SolidWorks, что позволяет существенно сэкономить и время создания сходных проектов, и дисковое пространство, необходимое для хранения наработок.

Благодаря простоте и универсальности модуля существенно упрощается процесс его освоения — наряду с заметным сокращением времени на процесс проектирования. Таким образом, SWR-Электрика дает уникальную возможность согласовать пространственную конфигурацию жгутов и их конструктивное окружение на этапе проектирования, что позволяет обойтись без создания натурного макета, сократив таким образом сроки запуска изделия в производство и снизив себестоимость продукции. При необходимости модуль может быть быстро и корректно состыкован с любой электротехнической САПР, включая самостоятельные разработки предприятий. Модуль выдает в виде текстовых отчетов количественные характеристики всех элементов монтажа, что позволяет точно учитывать и планировать расход различных материалов. Автоматически создаваемые монтажные шаблоны и чертежи жгутов обеспечивают изготовление жгутов правильной геометрии и стопроцентную собираемость с первого изделия. Обладая широкими возможностями и доступной ценой, система SWR-Электрика быстро внедряется в производство, обеспечивая скорую окупаемость вложенных средств.

САПР и графика 11`2005